應用能帶圖輔助解析n型矽之光電化學蝕刻機制

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鄭文達(Wern-Dare Jheng) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

應用能帶圖輔助解析n型矽之光電化學蝕刻機制
(Energy band diagram for the photo-electrochemical etching reaction of n-type (100) silicon)

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摘要(中)

本研究之目的在於建立n-型矽(100)於不同實驗條件下光電化學蝕刻之熱力學能帶圖。藉由能帶圖求得反應活化能，並配合動力學量測所得電流-電壓(i-V)數據與SEM蝕孔形貌觀察，推測n-型矽(100)在(1)不同照光強度下(2)不同濃度氫氟酸溶液中(3)不同濃度酒精添加下之蝕刻反應機制。
n型矽/氫氟酸界面間能帶圖之繪製，首先在HF蝕刻液中藉由量測n-Si 的開路電位(Open circuit potential, OCP)與平坦電位(Flatband voltage; Vfb)，配合半導體能帶結構中費米能階（Fermi energy ; EF) 、導帶（Conduction band energy ; Ec)及價帶（Valence band energy ;Ev)的關係式，而建立出定量能帶圖。
研究結果顯示：(1)n型矽的光電化學蝕刻反應，隨著照光強度從15W增加至45W，其蝕刻速率呈線性增大(2)氫氟酸濃度在0~2M時以2M蝕刻速率最快，一旦濃度超過2M，蝕刻速率反而下降(3)當添加酒精至氫氟酸中時，蝕刻速率會隨酒精濃度增加(0M~10M)而提升並促進蝕孔表面平滑，但添加過量時(15M)則會造成孔洞側蝕的現象。
依據本論文所建立的能帶圖，可以對此n型矽/氫氟酸系統的光電化學蝕刻反應之行為及機制做出合理解釋。

摘要(英)

The aim of this work was to build a thermodynamic energy band diagram for the system of n-type Si (100)/HF that is in dynamic equilibrium at the interface. The concept of the diagram was based on the shift of energy levels such as Fermi energy (EF), conduction band energy (Ec), and valence band energy (Ev) before and after the contact of silicon with HF solutions. Through measurements of the open circuit potential (OCP) and flatband voltage (Vfb), the energy band diagram for the Si/HF system was established. This diagram was useful in estimation of the activation energy for the photo-electrochemical etching system. The kinetic study demonstrated that the etching rate of the silicon (1) increases with an increase of illumination power; (2) increases to a maximum with HF from 0.5 to 2.0 M then decreases with further increase of the HF concentration; (3) accelerates in the presence of 5-10 M EtOH to form smooth macropores but decelerates and caues severe side-etching on the pore walls with the concentration of EtOH reaching 15 M. Based on the energy band diagram established and the electrochemical kinetic data measured, the author was in an attempt to make clear the mechanism for the photo-electrochemical reaction of the n-Si/HF system.

關鍵字(中)

★ 光電化學蝕刻
★ 能帶圖
★ 矽蝕刻

關鍵字(英)

★ photo-electrochemical etching
★ energy band diagr

論文目次

目錄
頁次
中文摘要……………………………………………………………… i
英文摘要.................................................................... ii
誌謝....................................................................... iii
目錄........................................................................ iv
表目錄.......................................................................ix
圖目錄....................................................................... x
符號對照表................................................................. xiv
第一章緒論...................................................................1
1.1 前言………………..........................................................1
1.2 論文綱要..................................................................2
第二章文獻回顧...............................................................4
2.1 矽晶圓的微細加工………………………………………...4
2.1.1 濕式蝕刻技術………………………………………4
2.1.2 乾蝕刻技術…………………………………………5
2.2 多孔矽形成機制…………………………………………...6
2.2.1 矽在電解液中的電流-電壓(I-V)特性……………..6
2.2.2 Beale 模型…………………………………………..7
2.2.3 擴散機制模型……………………………………..11
2.2.4 Zhang 模型………………………………………...15
2.2.5 Unagami 模型……………………………………..17
2.3 半導體電化學能帶理論………………………………….18
2.3.1半導體和電解液的電子能階………………………18
2.3.1.1半導體電子能階………………………….18
2.3.1.2電解液電子能階………………………….22
2.3.2 開路電壓…………………………………………..24
2.3.3 平坦電位…………………………………………..24
2.3.4 半導體/電解液界面的能帶理論………………….24
2.3.4.1接觸前…………………………………….24
2.3.4.2平衡狀態………………………………….25
2.3.5能帶圖之建立………………………………………27
2.3.6能帶圖在解釋半導體濕式蝕刻機構之應用…27
2.4半導體之光效應…………………………………………...27
2.4.1光電效應...................................................27
2.4.2半導體電極的光效應…………………………28
2.4.3對開路電壓的影響…………………………………29
2.4.4對電流-電壓的影響………………………………...29
2.4.5對能帶的影響………………………………………30
2.4.6空間電荷層對光效應之影響………………………30
2.5半導體外加偏壓效應……………………………………...30
2.6蝕刻動力學………………………………………………...31
2.6.1開路電位……………………………………………..31
2.6.2陽極動態極化法……………………………………..32
2.6.3 Tafel………………………………………………….33
2.6.4線性極化法…………………………………………..33
第三章實驗方法………………………………………………………45
3.1 矽晶片選擇……………………………………………….45
3.2 試片前處理……………………………………………….45
3.3 實驗裝置………………………………………………….46
3.4 蝕刻條件評選…………………………………………….46
3.4.1氫氟酸濃度…………………………………………46
3.4.2照光強度……………………………………………47
3.4.3酒精之添加…………………………………………47
3.5 實驗步驟………………………………………………….47
3.6 儀器分析………………………………………………….48
第四章結果與討論……………………………………………………54
4.1 以能帶圖輔助解析照光對n-type Si 在氫氟酸溶液下電化學蝕刻的影響機制54
4.1.1照光機制探討…………..…………………………..56
4.1.2影響 ilimit 的因素.………..………………………....57
4.1.3極限光電流 ilimit 的機制….………………………..59
4.2 以能帶圖輔助解析不同濃度氫氟酸下n-type Si之光電化學矽蝕刻……60
4.2.1蝕刻能帶圖解析原理….…………………………..61
4.2.2不同HF濃度下蝕刻之能障………………………..62
4.2.3本蝕刻系統之電化動力學解析………….………..62
4.3 以能帶圖輔助解析添加不同濃度酒精於氫氟酸蝕刻液 n-type Si之光電化學矽蝕刻64
4.3.1 n-Si/HF系統能帶圖用在矽蝕刻之解析………….66
4.3.2不同酒精濃度下氫氟酸蝕刻液之蝕刻速率……..67
4.3.3蝕孔形貌之探究….………………………………..68
4.3.4電化動力學解析….………………………………..69
第五章結論…………………………………………………………..109
第六章未來展望(氟化銨、其它溶液、其它半導體)……………….111
參考文獻………………………………………………………………112
作者個人簡介…………………………………………………………118
著作列表………………………………………………………………119

參考文獻

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指導教授

林景崎(Jing-Chie Lin)

審核日期

2005-5-24

推文